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钛合金微弧氧化电参数对成膜特性及表面性能的影响

作　者: 施元
导　师: 杨士勤
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 钛合金微弧氧化机械性能电绝缘性能
分类号: TG174.453
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 319次
引　用: 4次
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内容摘要

钛合金具有优异的比强度,良好的耐腐蚀性能、生物相容性等性能,但是,钛合金极差的摩擦磨损性能制约了其在工程中的应用。微弧氧化处理是改善钛合金耐摩擦磨损性能的有效方法。本文在Na₂SiO₃-（NaPO₃）_6-Na₂MoO₄溶液中,使用恒定脉冲电流和恒定脉冲电压两种控制模式制备Ti₆Al₄V合金的微弧氧化陶瓷层,分析了微弧氧化处理的电参数特性。使用扫描电子显微镜、X射线衍射、涡流测厚、超显微硬度、动态极化曲线、球-盘摩擦等方法分别研究电参数对陶瓷层形貌、相结构、厚度、显微硬度、耐腐蚀及摩擦学性能的影响,研究了陶瓷层的抗变形能力、拉伸强度以及电绝缘性能。研究结果表明,钛合金微弧氧化过程存在三个阶段:第一阶段合金表面迅速生成一层厚约10μm的陶瓷层;第二阶段微弧放电区域不断扩展,陶瓷层厚度缓慢增长;放电区域扩展到整个表面后为第三阶段,陶瓷层厚度随时间快速增长。钛合金微弧氧化陶瓷层主要由锐钛矿相和金红石相的TiO₂组成,含有少量无定形相和Ti的不饱和氧化物。随着处理时间延长或者脉冲能量升高,金红石相含量增加。溶液中的成分参与成膜的化学反应,陶瓷层中含有Si、P等元素,Si元素在靠近外层处含量较高,而P元素则在内层偏聚;加入负向脉冲后,外层的Si元素含量明显升高。经过微弧氧化处理后,钛合金表面的摩擦学性能大幅提高,微弧氧化陶瓷层摩擦系数相对于基体显著降低。对动态极化曲线分析表明,存在最佳的处理时间和负向脉冲参数,以获得较好的耐腐蚀性能;较小的占空比和正向脉冲电压条件下获得的陶瓷层耐蚀性能更好。其中处理时间为20min和占空比为4%的陶瓷层腐蚀电流相对于基体降低了4个数量级。钛合金微弧氧化陶瓷层具有良好的机械性能,厚度大于30μm的陶瓷层在500kg压力作用下能保持与基体的良好结合。工件承受拉应力变形时,陶瓷层直到断裂破坏时才开始从基体上剥离。在金属表面原位形成陶瓷层后,减少了工件有效承受载荷的面积,拉伸强度降低了约5%。电击穿试验结果表明,钛合金微弧氧化陶瓷层具有良好的电绝缘性能,其绝缘电压可达到800V以上。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 课题背景  10
  1.2 钛合金及其表面改性技术  10-12
    1.2.1 钛合金及其应用  10-11
    1.2.2 离子注入法  11
    1.2.3 气相沉积法  11-12
  1.3 微弧氧化技术  12-18
    1.3.1 简介  12-14
    1.3.2 微弧氧化工艺研究  14-16
    1.3.3 微弧氧化涂层性能研究  16
    1.3.4 微弧氧化与其他表面处理技术的复合  16-18
  1.4 钛合金微弧氧化研究现状  18-20
    1.4.1 工艺研究  18-19
    1.4.2 钛合金微弧氧化的应用  19-20
  1.5 本文研究目的及内容  20-21
第2章实验材料及方法  21-26
  2.1 实验材料  21
  2.2 微弧氧化设备  21-22
  2.3 微弧氧化陶瓷层的制备方法  22-23
  2.4 微弧氧化陶瓷层形貌与结构分析  23-24
  2.5 微弧氧化陶瓷层性能测试  24-26
    2.5.1 厚度  24
    2.5.2 硬度  24
    2.5.3 摩擦磨损性能  24
    2.5.4 耐腐蚀性能  24-25
    2.5.5 抗变形性能  25
    2.5.6 拉伸强度  25
    2.5.7 绝缘性能  25-26
第3章微弧氧化电参数特性及其对陶瓷层组织结构的影响  26-45
  3.1 微弧氧化电参数特性研究  26-30
    3.1.1 恒流控制时正向脉冲电压变化规律  26-27
    3.1.2 恒压控制时正向脉冲电流变化规律  27-28
    3.1.3 恒流控制时脉冲频率对电压的影响  28-29
    3.1.4 占空比对正向脉冲电压的影响  29-30
  3.2 表面形貌分析  30-34
  3.3 陶瓷层横截面形貌分析  34-37
  3.4 组织结构分析  37-39
  3.5 微弧氧化工艺参数对陶瓷层厚度的影响  39-44
    3.5.1 频率  39-40
    3.5.2 占空比  40-41
    3.5.3 处理时间  41-42
    3.5.4 正向脉冲电流  42-43
    3.5.5 正向脉冲电压  43
    3.5.6 负向脉冲电压与宽度  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章微弧氧化陶瓷层摩擦学性能与耐腐蚀性能研究  45-58
  4.1 脉冲频率对摩擦与耐蚀性能的影响  45-47
  4.2 占空比对摩擦与耐蚀性能的影响  47-49
  4.3 处理时间对摩擦与耐蚀性能的影响  49-50
  4.4 正向脉冲电流对摩擦与耐蚀性能的影响  50-52
  4.5 正向脉冲电压对摩擦与耐蚀性能的影响  52-54
  4.6 负向脉冲电压对摩擦与耐蚀性能的影响  54-55
  4.7 负向脉冲宽度对摩擦与耐蚀性能的影响  55-57
  4.8 本章小结  57-58
第5章微弧氧化陶瓷层机械性能与绝缘性能研究  58-68
  5.1 微弧氧化陶瓷层抗压变形  58-61
  5.2 微弧氧化陶瓷层拉伸强度分析  61-64
  5.3 微弧氧化陶瓷层绝缘性能分析  64-67
  5.4 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-79
攻读学位期间发表的学术论文  79-80
致谢  80

钛合金微弧氧化电参数对成膜特性及表面性能的影响

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